NO833060L - Lysutstraaler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en lysutstråler for effektiv utstråling av lys, såsom sollyset, til omgivelsene, idet lyset ledes gjennom en fiberoptisk, kabel eller liknende lys-1edende del.

Effektiv utnyttelse av solenergi er idag nøkkelen til energisparing og er blitt aktivt studert på forskjellige områder. For mest mulig effektiv bruk av solenergi må denne utnyttes som den er, uten å omformes til termisk energi, elektrisk energi eller en liknende, forskjellig type av energi. På denne bakgrunn er det blitt fremsatt forskjellige forslag til et belysningssystem som utnytter solenergi. Belysningssystemet benytter en fiberoptisk kabel gjennom hvilken sollyset, som er samlet ved hjelp av en linse eller liknende, ledes til et ønsket sted for å strømme ut der for å opplyse omgivelsene.

I et belysningssystem av den beskrevne type har

det lys som beveger seg gjennom den fiberoptiske kabel, di-rektivitet. Dersom lyset utmates ved en enkel, avkuttet ende av kabelen, blir det derfor utstrålt over en vinkel som vanligvis er så liten som ca. 4 6 grader. Lyset som strømmer ut gjennom den enkle, avkuttede ende av kabelen, vil ikke være i stand til å opplyse jevnt et ønsket rom, f.eks. et værelse. Det er i forskjellige former blitt foreslått en lysutstråler som er utformet for effektiv spredning av lys som ledes av en fiberoptisk kabel, for å tilveiebringe jevn belysning over et vidt område.

Den foreliggende oppfinnelse utgjør en forbedring

i forhold til sådanne tidligere foreslåtte lysutstrålere.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en lysutstråler som tillater lys å utstråles i hvilken som helst ønsket kvantitet- eller mengdefordeling i en ønsket retning langs omkretsen av en lysledende del.

Det er annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en lysutstråler som er i stand til effektiv utstråling til utsiden av en lysledende del også av de lyskomponenter som vandrer gjennom den lysledende del i hovedsaken parallelt med dennes akse.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en generelt forbedret lysutstråler.

En lysutstråler ifølge oppfinnelsen omfatter en langstrakt, lysledende del for ledning .konvergert eller samlet lys fra den ene til den andre ende av lysutstråleren. En strålingsanordning utstråler lyset gjennom denne til omgivelsene radialt utenfor den lysledende del. En reflekterende anordning er anbrakt ved den andre ende av den lysledende del med en reflekterende overflate vendende mot den lysledende del, slik at den ref lekterer lys som innfaller på denne. Strålingsanordningen er konstruert eller utformet for å frembringe en selektiv mengdefordeling av det utstrålte lys i minst én retning i forhold til den lysledende del.

I overensstemmelse med oppfinnelsen har en lysutstråler en langstrakt, lysledende del som tilføres konvergert lys ved sin ene ende. Lysutstrålende partier er anordnet på lyslederen, slik at det lys som forplanter seg gjennom lyslederen, kan strømme ut i hvilken som helst ønsket lysmengdefordeling langs lyslederens akse. De utstrålende partier omfatter adskilte, ringformede strimler eller spiralstrimler som hver er fremstilt av et materiale med en brytningsindeks som er større enn lyslederens brytningsindeks. Et speil er anbrakt ved lyslederens andre ende for å reflektere komponenter av lyset som er i hovedsaken parallelle med lyslederens akse, for derved å fremme effektiv utstråling av det innkommende lys gjennom strålingspartiene.

Ytterligere formål, særtrekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende nærmere beskrivelse av et antall utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et sideriss av en lysutstråler som benytter den foreliggende oppfinnelse, fig. 2 og 3 viser diagrammer som illustrerer driftsprinsipper for den foreliggende oppfinnelse, fig. 4 viser et liknende riss som fig. 1, men av en annen utførelse av oppfinnelsen, fig. 5a viser et sideriss av en annen utførelse av oppfinnelsen, fig. 5b viser et snitt etter linjen b - b på fig. 5a, fig. 6 og 7 viser sideriss av alternative lysutstrålende anordninger som kan benyttes i forbindelse med oppfinnelsen, og fig. 8-12 er snitt som viser forskjellige speilkonfigurasjoner som kan benyttes i forbindelse med oppfinnelsen.

Selv om lysutstråleren ifølge oppfinnelsen er egnet for tallrike fysiske utførelsesformer, avhengig av omgivelsene og bruksbetingelsene, er et vesentlig antall av de her viste og beskrevne utførelser blitt fremstilt, prøvd'og benyttet, og alle har oppført seg på en meget tilfredsstil-lende måte.

Idet det henvises til fig. 1, omfatter en lysutstråler (photoradiator) ifølge oppfinnelsen en langstrakt, gjennomsiktig, lysledende del 10 som er dannet av kiselglass eller akrylharpiks. Den ene ende av den lysledende del 10 er forbundet med den ene ende av en lysledende kabel 12 hvis andre ende er forbundet med et linsesystem (ikke vist). Lys, såsom sollys, konvergeres inn i kabelen 12 ved hjelp av linsesystemet og dirigeres gjennom kabelen til den lysledende del 10.

Et antall lysutstrålende deler i form av ringformede strimler 14-^ - 14n bæres på lyslederen 10 på adskilte steder langs dennes akse. I denne spesielle utførelse er det for bekvemmelighetens skyld vist fire lysuts trålere 14-^- 14^. Hver lysutstråler 14 har en brytningsindeks som er større enn brytningsindeksen for lyslederen 10. Et speil 16 er stivt festet på lyslederens 10 andre ende, slik at dets reflekterende flate vender mot lysinngangsenden. I denne konstruksjon forplanter lyset seg gjennom lyslederen 10 som vist ved en pil I, samtidig som det reflekteres ved lyslederens 10 omkrets for å strømme radialt utover ved de individuelle lysutstrålere 14-^- 14n- Resten av lyset, som når frem til speilet 16, reflekteres av dette for å følge for-plantningsbanen bakover som angitt ved en pil R, samtidig som det utstråles til utsiden via lysutstrålerne 14^- 14n-

I den etterfølgende beskrivelse antas lyslederen

10 å ha en lengde L og bære lysutstråleme 14- 14^med mellom-rom£4°9£5*Utstrålingskoeffisientene for lysutstrålerne 14 ^ - 144antas å være henholdsvis a-^, a2,<a>^og a4 •

I overensstemmelse med et karakteristisk trekk ved oppfinnelsen utføres arrangementet slik at lys går ut gjennom lysutstrålerne 14-^- 14n i en ønsket mengde fordel ing langs lyslederens 10 akse, slik at man realiserer hvilken som helst ønsket lysfordelingskurve ved belysning av omgivelsene.

Idet det henvises til fig. 2 og 3, skal drifts-prinsippene for oppfinnelsen beskrives under benyttelse av den på fig. 1 viste konstruksjon. Konstanter som benyttes i beskrivelsen, er en total lysmengde Iq som innføres i lyslederen 10 fra kabelen 12, en lysmengde Rq som innfaller på speilet 16, lysmengder s-^, s2, og s^som utgår indi-duelt fra lysutstrålerne 14-^, 142, 14^og 14^uten mellom-komst av speilet 16, lysmengder s'4, s'.j, s'2og s^ som strømmer individuelt gjennom lysutstrålerne 14^, 14^, 142

og 14^etter å ha blitt reflektert av speilet 16, lysmengder l<->j_,<I>2,<I>^og I^som individuelt når frem til lysutstrålerne 14j, 142'"*"43°9"^4etter inngangen til lyslederen 10 fra kabelen 12, lysmengder I'4, 1*3/ I'20<3 I'i som reflekteres individuelt ved hjelp av speilet 16 for å innfalle på lysutstrålerne 14^|, 14-jf 142og 14 -j^, og en lysmengde I'q som reflekteres av speilet 16 for å returnere til lyslederens 10 lysinngangsende hvor kabelen 12 er beliggende.

Idet det antas at strålingskoef fisientene a-^ , a2....a (n = 4 i denne utførelse) for lysutstrålerne 14 ^, 142...14n er den samme (heretter representert ved a), kan den lysmengde I nsom når frem til en vilkårlig av de første til n'te lysutstrålere regnet fra kabelsiden, uttrykkes som følger:

hvor o er lyslederens 10 absorpsjon.

På samme måte frembringes størrelsen I nved den n1 te lysutstråler 14 n som følger: Den lysmengde sR som utstråles fra den n'te lysutstråler, er således

Den lysmengde Rq som tillates å nå frem til speilet 16 i ovennevnte situasjon, uttrykkes som:

Det lys som reflekteres av speilet 16, forplanter seg bakover gjennom lyslederen 10 mot lysinngangsenden. Denne del av lyset blir på nytt absorbert av lyslederen 10 eller utstrålt gjennom lysutstrålerne 14^, 14-j, 142 og 14-^. Den lysmengde I' n som når frem til den n'te (n = 4) lysutstråler, oppnås som:

hvor 6 er refleksjonskoeffisienten for speilet 16.

Den lysmengde s' som kommer fra den n'te lysutstråler, er derfor:

På samme måte frembringes den lysmengde 1'^ som når frem til den første lysutstråler 14^, som følger:

Den lysmengde s'^som stråler ut fra den første lysutstråler 14-^, er:

Den lysmengde I'q som returnerer til lyslederens 10 lysinngangsende, oppnås som:

I ovenstående likninger kan lysdempningen inne i lyslederen 10 geuerelt representeres ved følgende uttrykk:

På grunn av at alle faktorer a, Iq, a, L, n og liknende er kjente i de foran angitte likninger, er det i disse likninger mulig å oppnå de individuelle verdier s-^t s2 sn, Rq, s<1>^, s'2....s'nog I'g ved å bestemme rela-

sjonene mellom sn +s<1>,,s0+ ss„ + s' for såvidt

J 1 1' 22n n

som antallet av ukjente og antallet av likninger er det samme. Disse verdier vil på sin side tilveiebringe avstandene i-, r % 2m • • • ^n meH°m ^e tilstøtende lysuts trålere. Anta for eksempel at lys som innmates fra kabelen 12 i lyslederen 10, av hver lysutstråler utstråles med en mengde

s^, at lys som reflekteres av speilet 16, utstråles av lysutstråleren med en mengde s<1->^, og at en midlere lysmengde som virkelig utstråles fra lysutstrålerne, er S. Lyset vil da strømme gjennom de individuelle lysutstrålere i hvilken

som helst ønsket mengdefordeling under følgende betingelser:

hvor n er antallet av utstrålere; hvor er en ønsket (innstilt) lysmengde som skal utgå fra en ønsket lysutstråler, og

-3

hvor e << 1 og for eksempel av størrelsesorden 10

Det vil således innses at dersom avstandene mellom de tilstøtende lysutstrålere 14-^- 14n velges slik at de tilfredsstiller de foran angitte betingelser, kan lys utstråles i hvilken som helst ønsket mengde fra hver av lysutstrålerne, slik at det frembringes en ønsket lysfordelingskurve langs lytlederens 10 akse. Dersom det ønskes, kan faktoren bringes til å være lik null for å utstråle en lik lysmengde fra alle lysutstrålere 14- 14n>Dette ville belyse omgivelsene jevnt med en ensartet intensitet over hele lengden av lyslederen 10.

I den foregående beskrivelse er en ønsket lysfordeling blitt realisert ved å utforme avstandene mellom til-støtende lysutstrålere etter ønske, mens man velger en felles strålingskoeffisient for alle utstrålere. I stedet kan strå-lingskoeffisientene varieres fra én utstråler til en annen mens utstrålerne dannes på likt adskilte steder på lyslederen 10, i hvilket tilfelle de forskjellige faktorer vil bli ut-trykt som følger:

I forbindelse med ovenstående likninger kan demp-ningen av lys inne i lyslederen 10 uttrykkes som følger:

For å sammenfatte den foran beskrevne utførelse, bærer den langstrakte lysleder 10 et antall ringformede lysutstrålere 14 på innbyrdes adskilte steder langs dennes akse. Avstanden mellom tilstøtende lysutstrålere eller strålingskoeffisienten for hver lysutstråler kan velges slik at hvilken som helst ønsket lysfordelingskurve etableres langs lyslederens 10 akse. Det vil innses at strålingskoeffisienten bestemmes av for eksempel utstrålerens bredde, dvs. dennes lengde i lyslederens 10 aksialretning.

På fig. 4 er vist en andre utførelse av den foreliggende oppfinnelse som er forskjellig fra den første ut-førelse ved en spiralkonfigurasjon av lysutstrålerne. Som vist er det anordnet et antall spiralstrimler som er dannet av et lysutstrålende materiale og strekker seg over hele lengden av lyslederen 10, idet to spiralstrimler 20-^og 202er vist på tegningen. Også her kan hvilken som helst ønsket lysutstrålingskoeffisient oppnås for hver lysutstråler 20^eller 202, ved tilsvarende valg av en bredde eller en deling P for hver lysutstråler langs lysdelerens 10 akse. Resten &v konstruksjonen, innbefattet speilet 16, er den samme som i den første utførelse.

Dersom det ønskes, kan hver av utstrålerne, enten de er ringformede eller spiralformede, dannes i en diskonti- nuerlig konfigurasjon, slik at den resulterende lysfordeling blir ujevn også i lyslederens 10 radialretning.

En tredje utførelse av oppfinnelsen er vist på

fig. 5a og 5b. Et antall lysutstrålere 22-^- 224strekker seg individuelt langs lyslederens 10 akse. Slik som best vist på fig. 5b, er lysutstrålerne 22-^ - 224adskilt fra de tilstøtende utstrålere langs lyslederens 10 omkrets. Bred-dene av lysutstrålerne, representert ved bredden W av ut-stråleren 222, kan bestemmes på en slik måte langs lyslederens 10 akse at de tilfredsstiller de foran angitte likninger, slik at det frembringesønskede lysfordelinger i lederens 10 aksialretning.

Selv om de så langt beskrevne lysutstrålere har omfattet ringformede eller spiralformede deler som hver har en brytningsindeks som er større enn brytningsindeksen for lyslederen 10, kan lysutstrålernes rolle spilles av ringformede eller spiralformede spor som er dannet i en lysleder, slik som vist i søkerens US-patentsøknad nr. 490 685 med titelen "Photoradiator And Method of Producing Same". Sådanne utførelser skal beskrives under henvisning til fig. 6 og 7.

På fig. 6 er den langstrakte, lysledende del 10 utformet med et antall ringformede spor 141- 14' i innbyrdes adskilte posisjoner langs delens akse. På fig. 7 er den lysledende del 10 på den annen side utformet med spiral-spor 2 0'og 2 0*2 fra den ene til den andre ende av delen. Det vil innses at strålingskoeffisienten kan fordeles etter ønske ved for eksempel å velge en bestemt dybde når det dreier seg om de ringformede spor, eller en bestemt dybde eller deling når det dreier seg om spiralsporene.

I de foregående utførelser har speilet 16' som benyttes for effektiv lysutstråling, vært orientert normalt på lyslederens 10 akse. Det lys som dirigeres av kabelen 12 inn i lyslederen 10, omfatter vanligvis komponenter som er i hovedsaken parallelle med lyslederens 10 akse, og denne del av lyset tillates å nå speilet 16 direkte uten å bli reflektert av lyslederens 10 omkrets, eller å nå frem til speilet etter et lite antall refleksjoner dersom refleksjoner opptrer. Sådanne lyskomponenter har en tendens til å unnlate å strømme gjennom lysutstrålerne slik som representert ved likningene (12) eller (12'). Det henvises nå til fig. 8-10 som individuelt illustrerer andre utførelser av oppfinnelsen som er utformet for effektivt å styre også de i hovedsaken parallelle komponenter til omgivelsene for lyslederen 10. På fig. 8 - 10 er det for enkelhet i illustrasjonen ikke vist noen lysutstrålere.

Lyslederen 10 som er vist i hver av figurene 8 og 9, er utstyrt med et speil 16' som er konvekst utformet i forhold til lyslederens 10 lysinngangsende. Lyslederen 10 på fig. 10 har et speil 16' som er passende skråttstilt i forhold til lyslederens 10 akse. I hvilken som helst av disse konstruksjoner vil i hovedsaken parallelle komponenter av lys som faller inn på speilet 16', bli ikke-parallelle med lyslederens 10 akse når de reflekteres av speilet 16', og de vil derfor bli reflektert et stort antall ganger av lyslederens 10 omkrets mens de forplanter seg i retning mot lysinngangsenden. Denne del av lyset har lettere for å bryte gjennom lysutstrålerne og derved øke lysutstrålerens eller fotoradiatorens lysutstrålingseffektivitet sammenliknet med tilfellet med det perpendikulære speil 16.

Modifikasjoner av de speilkonfigurasjoner som er beskrevet foran under henvisning til fig. 8 og 9, er vist på fig. 11 og 12. Speilet 16" på fig. 11 er konkavt i forhold til lyslederens 10 lysinngangsende, og dette er også tilfelle med speilet 16" på fig. 12. Det vil være åpenbart at speilene 16" som er vist på fig. 11 og 12, liksom speilene 16' på fig. 8 og 9, på effektiv måte vil reflektere i hovedsaken parallelle komponenter i forskjellige retninger, slik at denne del av lyset også kan strømme gjennom lysutstrålerne før den dirigeres tilbake til lysinngangsenden.

Sammenfatningsvis vil det innses at den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en lysutstråler eller foto-radiator som, på tross av sin enkle konstruksjon, realiserer hvilken som helst ønsket lysmengdefordeling i det minste langs aksen av en lysledende del, og forårsaker at også i hovedsaken parallelle lyskomponenter som kommer inn i lyslederen, styres effektivt til omgivelsene.

Etter å ha oppfattet læren ifølge den foreliggende beskrivelse og tegningene, vil en fagmann på området innse at forskjellige modifikasjoner og endringer er mulige uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. For eksempel kan speilet 16 eller 16' for refleksjon av i hovedsaken parallelle lyskomponenter erstattes av den ende av selve lyslederen hvor speilet er beliggende, dersom denne ende behandles på passende måte for å reflektere de aktuelle lyskomponenter på samme måte. Lyslederens reflekterende ende kan også være perpendikulær eller anbrakt i vinkel med lyslederens akse, eller konveks eller konkav i forhold til lyslederens andre ende eller lysinngangsende.

Claims (10)

1. Lysutstråler omfattende en langstrakt, lysledende del for ledning av konvergert lys fra den ene til. den andre ende av delen, karakterisert ved at den omfatter en strålingsanordning for utstråling av lys gjennom delen til omgivelsene radialt utenfor den lysledende del, og en reflekterende anordning for refleksjon av lys som innfaller på denne, idet den reflekterende anordning er anbrakt ved den nevnte andre ende av den lysledende del med en reflekterende overflate av denne vendende mot den lysledende del, idet strålingsanordningen er utformet for å frembringe en selektiv mengdefordeling av det utstrålte lys i det minste langs en akse av den lysledende del.

2. Lysutstråler ifølge krav 1, karakterisert ved at den reflekterende anordning er konveks i retning mot den nevnte ene ende av den lysledende del.

3. Lysutstråler ifølge krav 1, karakterisert ved at den reflekterende anordning er konkav i retning mot den nevnte ene ende av den lysledende del.

4. Lysutstråler ifølge krav 1,. karakterisert ved at den reflekterende anordning er skråttstilt i forhold til den lysledende dels akse.

5. Lysutstråler ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den reflekterende anordning omfatter et speil.

6. Lysutstråler ifølge krav 1, karakterisert ved at strålingsanordningen omfatter et antall strålingsanordninger som er anbrakt på innbyrdes adskilte steder langs den lysledende dels akse.

7. Lysutstråler ifølge krav 6, karakterisert ved at strålingsanordningen er konstruert slik at en total mengde av lys s^ som utstråles gjennom hver av strålingsanordningene etter å være blitt innført i den lysledende del, og lys s*^ som utstråles gjennom strålingsanordningene etter å være blitt reflektert av den reflekterende anordning, si + s'^ , har en bestemt verdi i forhold til de andre utstrålingsanordninger.

8. Lysutstråler ifølge krav 7, karakterisert ved at en valgt mengde lys S i som skal utstråles fra utstrålingsanordningene, tilfredsstiller likningen:

bvor

n er antallet av utstrålingsanordninger, er en på forhånd valgt verdi, og

9. Lysutstråler ifølge krav 1, karakterisert ved at strålingsanordningen omfatter et antall kon-tinuerlige strålingsanordninger som strekker seg langs den lysledende dels akse.

10. Lysutstråler ifølge krav 9, karakterisert ved at en total mengde lys s^ som utstråles gjennom hver av strålingsanordningene etter å være blitt innført i den lysledende del, og lys s <1>^ som utstråles gjennom strålingsanordningene etter å være blitt reflektert av den reflekterende anordning, s^ + s'^ , bestemmes som en funksjon av en lengde av den lysledende del målt fra dens nevnte ene ende.